在本例中設計了一個傾斜表面浮雕光柵(SRG, Slanted Surface Relief Grating) 將光耦合到單色增強現(xiàn)實(AR)系統(tǒng)的波導中。光柵的幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化將垂直入射光引導至光柵的-1級中，然后將光柵特性導出為Lumerical 亞波長模型(LSWM, Lumerical Sub-Wavelength Model) JSON格式，以便在Speos中對該SRG進行系統(tǒng)級模擬(參見Zemax Lumerical Speos 聯(lián)合實現(xiàn)衍射光波導AR系統(tǒng)設計仿真)。
SRG所設計的幾何參數(shù)為其傾斜角度、填充因子和高度，如下圖所示:
光柵和襯底的折射率為1.8，光柵被空氣包圍，周期為393nm。光柵將被優(yōu)化為將550nm波長的光傳輸?shù)焦鈻诺?1級。我們將使用RCWA求解器來定義仿真參數(shù)并運行和優(yōu)化仿真。
步驟1：內(nèi)耦合光柵的優(yōu)化
該步驟將使用Lumerical內(nèi)置的粒子群優(yōu)化（PSO）算法對SRG的傾斜角、填充因子和光柵高度進行了優(yōu)化，以最大限度地將550nm波長的S偏振傳輸?shù)?1光柵級。
初始設計的仿真結(jié)果顯示大約56%垂直入射的S偏振光被傳輸?shù)焦鈻诺?1級。然后將使用軟件的優(yōu)化功能優(yōu)化光柵幾何結(jié)構(gòu)以提升該數(shù)值?！皁ptimization”對象包括SRG的傾斜角度、填充因子和光柵高度，傳輸?shù)絊偏振的光柵-1級的能量被用作品質(zhì)因數(shù)（FOM）。設定如下所示：
優(yōu)化后的幾何結(jié)構(gòu)中光柵-1級的衍射效率約為94.7%。需要注意的是，這種類型的光柵的FOM[1]可以具有多個局部最大值。雖然內(nèi)置的PSO工具是一種方便的快速優(yōu)化方法，但可以使用更先進的優(yōu)化方法來充分探索參數(shù)空間。
步驟2：完整表征和數(shù)據(jù)導出
光柵優(yōu)化是利用來自光柵上方的垂直入射光來進行。然而，一旦選定了優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)，就必須針對光線追跡仿真中預期的入射角范圍以及前后方向計算完整的光柵特性。
首先，在RCWA中做如下參數(shù)設置：
如上設置，針對前向和后向的指定入射角范圍計算了優(yōu)化的SRG的S參數(shù)。然后，這些結(jié)果被導出為LSWM JSON格式，該文件適合使用腳本文件導入到Speos或Zemax中。
要查看如何在Speos中使用此JSON文件的范例，請參閱Zemax Lumerical Speos 聯(lián)合實現(xiàn)衍射光波導AR系統(tǒng)設計仿真。
參考文獻：
[1] Jonathan S. Maikisch and Thomas K. Gaylord, "Optimum parallel-face slanted surface-relief gratings," Appl. Opt. 46, 3674-3681 (2007)
相關閱讀
Lumerical 2023R2 發(fā)布 | 圖形處理器，超透鏡，鈮酸鋰調(diào)制器等重磅來襲！
2023R2 | Speos 新功能介紹
Lumerical 次波長數(shù)據(jù)模型與幾何光學聯(lián)合仿真
Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
使用 Lumerical 對 VCSEL 激光器進行增益仿真
使用 Ansys Lumerical STACK 仿真抗反射偏振器件
Lumerical 單行載流子光電探測器仿真方法
案例 | 使用 Lumerical STACK 求解器優(yōu)化 OLED
